CN114364334A - 具有能够延伸的棱柱形连接件的机器人臂 - Google Patents

Abstract

本发明描述了机器人臂和结合此类臂的外科机器人***。机器人臂包括由俯仰接合部连接到棱柱形连接件的滚动接合部和由另一俯仰接合部连接到所述棱柱形连接件的工具驱动器。棱柱形连接件包括由棱柱形接合部连接的若干棱柱形子连接件。由工具驱动器支撑的外科工具可通过机器人臂的远程运动中心沿***轴线***患者内。可控制机器人臂的移动以由棱柱形接合部使棱柱形子连接件相对于彼此可伸缩地移动，同时维持远程运动中心固定。本发明还描述并要求保护其他实施方案。

Description

具有能够延伸的棱柱形连接件的机器人臂

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年7月29日提交的美国专利申请号16/525,427的优先权的权益，该申请的全部内容据此以引用方式并入本文。

背景技术

技术领域

公开了与机器人***有关的实施方案。更具体地，公开了与外科机器人***和对应的机械连杆有关的实施方案。

背景技术

内窥镜式外科手术涉及在患者体内查看并使用内窥镜和其他外科工具在体内执行外科手术。例如，腹腔镜式外科手术可使用腹腔镜来进入和观察腹腔。内窥镜式外科手术可使用手动工具和/或具有机器人辅助工具的外科机器人***来执行。

外科机器人***可由外科医生远程操作以控制位于手术台处的机器人辅助工具。外科工具可***患者的触及点中，诸如患者腹壁中的切口。外科医生可使用位于手术室中的计算机控制台，或者其可以位于不同的城市中，用以命令机器人操纵外科工具。机器人控制的外科工具可安装在机器人臂上，并且命令可引起机器人臂移动以将外科工具定位在患者内，同时将外科工具维持在远程运动中心处，该远程运动中心是外科工具围绕其枢转的空间中的固定点。远程运动中心可与患者内的触及点并置。因此，外科机器人***可由远程外科医生控制，以通过在机器人外科手术期间使机器人臂移动来将外科工具定位在患者内。

发明内容

用于定位外科工具同时将该工具维持在远程运动中心处的现有机器人臂是硬件约束的。换句话讲，机器人臂包括相对于彼此约束以施加预定运动的固定长度的连接件。例如，硬件约束的机器人臂可包括布置成平行四边形的连接件，使得可由单个马达驱动的输入连接件的移动引起若干其他被动连接件的预定移动，该若干其他被动连接件由被动接合部连接到输入连接件。被动连接件中的一个被动连接件可以是输出连接件，其被约束为围绕与患者内的触及点并置的远程运动中心枢转。远程运动中心在空间中保持固定，而不管平行四边形连接件的位置如何。硬件约束的机器人臂需要固定长度的连接件，该固定长度的连接件往往是长的，以便相对于患者实现期望的运动范围。若干个问题源于对长的固定长度连接件的要求。首先，硬件约束的机器人臂在外科手术期间扫过大空间体积，这可抑制外科医生或支持人员对患者的触及，该外科医生或支持人员必须避免被臂撞击。其次，长的固定长度连接件在视觉上以及体积和重量上均大。因此，连接件的惯性负载可能很大，这必须通过使用庞大且更昂贵的马达和接合部来容纳。第三，连接件的大尺寸使得硬件约束的连杆不适合收起在手术台下方。相反，机器人臂必须存放在手术台的上方或侧面，在该手术台上，宝贵的手术室空间必须与其他手术装备和操作者共享。

提供了一种用于定位外科工具的机器人臂，其具有软件控制的机器人臂，该软件控制的机器人臂具有相对于彼此没有硬件约束的若干接合部或连接件。每个接合部或连接件可由一个或多个相应的马达主动驱动。接合部或连接件中的一个或多个接合部或连接件可包括棱柱形接合部。因此，接合部或连接件可以是能够延伸的并且具有可变长度。与硬件约束的机器人臂相比，软件控制的机器人臂可占据更小的空间包络(处于至少一种构型)。因此，机器人臂可塌缩或压紧以在收起构型下收起在手术台下方，并且可膨胀到活动构型以在患者上方移动。当处于活动构型时，可调整机器人臂的大小和取向，以平衡撞击另一机器人臂或外科医生的风险，同时需要针对外科操作的某个运动范围。

在一个实施方案中，机器人臂包括滚动接合部，该滚动接合部能够围绕滚动轴线旋转；和工具驱动器，该工具驱动器被构造成支撑外科工具和/或工具引导件。例如，工具驱动器可联接到工具引导件，该工具引导件可沿***轴线接纳外科工具的轴。滚动轴线和***轴线在远程运动中心处相交。外科工具和/或工具引导件沿***轴线延伸，并且被构造成用于通过远程运动中心沿***轴线***患者内。机器人臂可包括若干连接连接件的接合部，该连接件可移动以维持远程运动中心固定。例如，能够延伸的棱柱形连接件可在相应的俯仰接合部处连接到滚动接合部和工具驱动器。例如，滚动接合部可在第一俯仰接合部处联接到棱柱形连接件，并且工具驱动器可在第二俯仰接合部处联接到棱柱形连接件。工具驱动器可在联接位置处联接到第二俯仰接合部，该联接位置沿***轴线可移动。能够延伸的棱柱形连接件可包括若干棱柱形子连接件，其由棱柱形接合部彼此连接并且可沿线性轴线相对于彼此滑动。处理器可控制机器人臂的接合部或连接件的移动，例如旋转或滑动，以在外科工具向前或向后俯仰以执行外科操作时维持远程运动中心固定。

机器人臂可包括与连接连接件的各种接合部相关联的一个或多个致动器。例如，第一马达可驱动滚动接合部，以围绕第一俯仰轴线相对于棱柱形连接件旋转。类似地，第二马达可驱动工具驱动器，以围绕第二俯仰轴线相对于棱柱形连接件旋转。此外，第三马达可驱动棱柱形子连接件沿线性轴线相对于彼此滑动。马达可独立地致动以单独驱动连接件，并且因此，连接件相对于彼此不受运动约束。第一俯仰轴线、第二俯仰轴线和线性轴线可以维持***轴线和滚动轴线在同一平面中的方式布置。例如，第一俯仰轴线可平行于第二俯仰轴线，并且线性轴线可与两个俯仰轴线正交。因此，线性轴线、滚动轴线和***轴线可形成具有位于远程运动中心处的顶点的参考三角形。致动各种马达可改变参考三角形的形状，同时将顶点维持在远程运动中心处的位置处。随着机器人臂的几何形状改变，***轴线可扫过限定外科工具尖端在患者内的运动范围的工作角。

该工作角可取决于机器人臂的原始构型。更具体地，机器人臂可具有若干原始构型，其中滚动轴线与***轴线正交，例如，当参考三角形是直角三角形时。由于棱柱形接合部可延伸并且俯仰接合部可旋转以形成不同的直角三角形，因此存在若干原始构型。对于每个原始构型，工作角可基于该原始构型的第一俯仰接合部与远程运动中心之间的距离而不同。例如，当远程运动中心从第一俯仰接合部移动得更远时，将滚动接合部连接到棱柱形连接件，工作角可减小。可通过选择适当的原始构型来选择工作角的调节，以平衡外科工具在患者内的运动范围与降低连杆与另一连杆或患者体外的操作者之间碰撞风险的期望。

在一个实施方案中，外科机器人***包括安装在手术台上的机器人臂。例如，机器人臂可安装在手术台下方。可缩短机器人臂的棱柱形接合部，并且可旋转俯仰接合部以将机器人臂折叠到收起构型中。在收起构型中，机器人臂具有比连杆在患者上方处于活动构型时更小的形状因数。例如，机器人臂的至少一个连接件在收起构型中可比在活动构型中更短。因此，即使在棱柱形连接件延伸到活动构型时可能无法将连杆收起在手术台下方，机器人臂也可以较小的形状因数收起在手术台下方。

上述发明内容不包括本发明的所有方面的详尽列表。可以设想的是，本发明包括所有***和方法，该***和方法可由上文概述的各个方面的所有合适组合以及下文具体实施方式中公开并且在随本专利申请提交的权利要求书中特别指出的那些来实施。此类组合具有未在上述发明内容中具体叙述的特定优点。

附图说明

本发明的实施方案以举例方式而非限制性方式在附图的各图中示出，其中类似的附图标号指示类似的元件。应当指出，在本公开中提到本发明的“一个”或“一种”实施方案不一定是同一个实施方案，并且它们是指至少一个。另外，为了简洁和减少附图的总数，可使用给定附图来示出本发明的多于一个实施方案的特征，并且对于给定实施方案可能并非需要附图中的所有元件。

图1是根据实施方案的手术场所中的示例性外科机器人***的绘画视图。

图2是根据实施方案的具有机器人臂的外科机器人***的示意图。

图3是根据实施方案的机器人臂的透视图。

图4是根据实施方案的处于原始构型的机器人臂的侧视图。

图5是根据实施方案的处于向前俯仰构型的机器人臂的侧视图。

图6是根据实施方案的处于向后俯仰构型的机器人臂的侧视图。

图7A至图7B是根据实施方案的安装在工具驱动器上的外科工具的侧视图。

图8A至图8B是根据实施方案的安装在伸缩工具驱动器上的外科工具的侧视图。

图9是根据实施方案的控制机器人臂以维持远程运动中心固定的方法的流程图。

图10是根据实施方案的外科机器人***的示例性硬件部件的框图。

具体实施方式

实施方案描述了机械连杆和结合此类连杆的机器人***。机械连杆可以是机器人臂，并且机器人***可以是外科机器人***，其结合机器人臂以在机器人外科手术期间定位外科工具。然而，机械连杆可用于其他机器人***，诸如用于制造或军事应用，仅举几个可能的应用。

在各种实施方案中，参考附图进行描述。然而，某些实施方案可以在没有这些具体细节中的一个或多个具体细节的情况下实施，或者可以与其他已知的方法和配置结合实施。在以下描述中，列出许多具体细节，诸如特定配置、尺寸和过程，以提供对实施方案的全面理解。在其他情况下，没有特别详细地描述众所周知的工艺和制造技术，以免不必要地模糊描述。本说明书通篇提及的“一个实施方案”、“实施方案”等意指所述的特定特征、结构、配置或特性包括在至少一个实施方案中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“一个实施方案”、“实施方案”等不一定是指同一实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，具体特征、结构、配置或特性可以任何合适的方式组合。

在整个说明书中使用相对术语可表示相对位置或方向。例如，“远侧”可指示远离参考点(例如，远离安装点)的第一方向。类似地，“近侧”可指示在与第一方向相反的第二方向上(例如，朝向安装点)的位置。然而，提供此类术语是为了建立相对参照系，并非旨在将机器人臂的使用或取向限制为下文各种实施方案中所述的具体构型。

在一个方面，外科机器人臂能够在外科手术(诸如腹腔镜式外科手术)期间定位和控制外科工具或器械。与硬件约束相比，外科机器人臂可以是软件控制的，并且可包括一个或多个接合部或连接件，该一个或多个接合部或连接件可基于相应致动器的基于计算机的控制独立地改变其长度和取向。例如，可控制马达以使外科机器人臂的若干连接件相对于彼此旋转，并且可控制另一马达以将连接件中的一个连接件的若干子连接件相对于彼此滑动。马达可在外科手术期间控制机器人臂的整体几何形状，使得外科工具维持在远程运动中心处。远程运动中心可在外科手术期间与患者内的触及点重合。在外科手术之前和之后，马达可将整体几何形状驱动到收起构型，在该收起构型中，机器人臂紧凑并且可收起在支撑患者的手术台下方。

参见图1，这是手术场所中的示例性机器人***的绘画视图。外科机器人***100包括用户控制台120、控制塔130以及外科机器人平台111(例如台、床等)处的一个或多个外科机器人臂112。***100可结合用于对患者102执行外科手术的任何数量的设备、工具或附件。例如，***100可包括用于执行外科手术的一个或多个外科工具104。外科工具104可以是附接到外科臂112的远侧端部的端部执行器，用于执行外科规程。

每个外科工具104可在外科手术期间手动操纵、机器人操纵或两者。例如，外科工具104可以是用于进入、查看或操纵患者102的内部解剖结构的工具。在一个实施方案中，外科工具104为可抓紧患者102的组织的抓紧器。外科工具104可由床边操作者106手动控制；或者其可经由其所附接的外科机器人臂112的致动移动而由机器人控制。机器人臂112被示出为台上安装***，但是在其他构型中，臂112可安装在手推车、天花板或侧壁中，或者安装在另一个合适的结构支撑件中。

一般来讲，远程操作者107(诸如外科医生或其他操作者)可使用用户控制台120远程操纵臂112和/或外科工具104，例如通过远程操作。用户控制台120可位于与***100的其余部分相同的手术室中，如图1所示。然而，在其他环境中，用户控制台120可位于相邻或附近的房间中，或者其可位于远程位置，例如，在不同的建筑物、城市或国家中。用户控制台120可包括座椅122、脚动控制件124、一个或多个手持式用户界面设备(UID)126以及至少一个用户显示器128，该用户显示器被配置为显示例如患者102体内的外科部位的视图。在示例性用户控制台120中，远程操作者107坐在座椅122中并查看用户显示器128，同时操纵脚动控制件124和手持式UID 126，以便远程控制臂112和外科工具104(该外科工具安装在臂112的远侧端部上)。脚动控制件124可以是脚踏板，例如七个踏板，它们在致动时生成运动控制信号。用户控制台120可以包括一个或多个附加界面设备(图10)诸如键盘或操纵杆，以接收手动输入以控制用户控制台120或外科机器人***100的操作。

在一些变型中，床边操作者106还可以“床上”模式操作***100，在该模式下床边操作者106(用户)现在位于患者102的一侧并且同时正在操纵机器人驱动的工具(附接到臂112的端部执行器)，例如，用一只手握持手持式UID 126，和手动腹腔镜工具。例如，床边操作者的左手可操纵手持式UID 126以控制机器人部件，而床边操作者的右手可操纵手动腹腔镜工具。因此，在这些变型中，床边操作者106可对患者102执行机器人辅助微创手术和手动腹腔镜手术两者。

在示例性规程(外科手术)期间，以无菌方式对患者102进行准备并覆盖消毒盖布以实现麻醉。在机器人***100的臂处于收起构型(例如，在平台111下方)或撤回构型时，可手动地执行对外科部位的初始触及(以便于触及外科部位)。一旦完成触及，就可执行机器人***包括其臂112的初始定位或准备。接着，外科手术继续，其中用户控制台120处的远程操作者107利用脚动控制件124和UID 126来操纵各种端部执行器以及可能的成像***，以执行外科手术。还可由身着无菌衣的床边人员(例如，床边操作者106)在手术床或手术台处提供手动辅助，该床边人员可对机器人臂112中的一个或多个机器人臂执行任务，诸如回缩组织、执行手动重新定位和工具更换。也可存在非无菌人员以在用户控制台120处辅助远程操作者107。当规程或外科手术完成时，***100和/或用户控制台120可被配置或设置成处于便于术后规程(诸如清洁或消毒)以及保健记录经由用户控制台120输入或打印的状态。

在一个实施方案中，远程操作者107手持并移动UID 126，以提供输入命令，从而使机器人***100中的机器人臂致动器114移动。UID 126可例如经由控制台计算机***110通信地联接到机器人***100的其余部分。UID 126可生成对应于UID 126的移动的空间状态信号，例如UID的手持式外壳的位置和取向，并且空间状态信号可以是控制机器人臂致动器114的运动的输入信号。机器人***100可使用源自空间状态信号的控制信号来控制致动器114的成比例运动。在一个实施方案中，控制台计算机***110的控制台处理器接收空间状态信号并生成对应的控制信号。基于控制如何为致动器114供能以移动臂112的区段或连接件的这些控制信号，附接到臂的对应外科工具104的移动可模拟UID 126的移动。类似地，远程操作者107与UID 126之间的交互可生成例如抓持控制信号，该抓持控制信号致使外科工具104的抓紧器的钳口闭合并抓持患者102的组织。

外科机器人***100可包括若干UID 126，其中针对控制相应臂112的致动器和外科工具(端部执行器)的每个UID生成相应的控制信号。例如，远程操作者107可移动第一UID126以控制位于左机器人臂中的致动器114的运动，其中致动器通过移动臂112中的连杆、齿轮等来响应。类似地，远程操作者107对第二UID 126的移动控制另一个致动器114的运动，这继而使机器人***100的其他连杆、齿轮等移动。机器人***100可包括固定到患者的右侧的床或台的右臂112，以及位于患者的左侧的左臂112。致动器114可包括一个或多个马达，该一个或多个马达被控制成使得它们驱动臂112的接合部的旋转或线性移动，以例如相对于患者改变附接到该臂的外科工具的内窥镜或抓紧器的取向。同一臂112中的若干致动器114的运动可由从特定UID 126生成的空间状态信号控制。UID 126还可控制相应的外科工具抓紧器的运动。例如，每个UID 126可生成相应的抓持信号以控制致动器(例如，线性致动器)的运动，该致动器在外科工具的远侧端部处打开或闭合抓紧器的钳口以抓持患者102内的组织。

在一些方面，平台111和用户控制台120之间的通信可通过控制塔130进行，该控制塔可将从用户控制台120(并且更具体地从控制台计算机***110)接收的用户命令转换成传输到机器人平台111上的臂112的机器人控制命令。控制塔130还可将状态和反馈从平台111传输回用户控制台120。可使用各种数据通信协议中的任何合适的数据通信协议经由有线和/或无线链路通信连接机器人平台111、用户控制台120和控制塔130。任何有线连接可任选地内置于手术室的地板和/或墙壁或天花板中。机器人***100可向一个或多个显示器提供视频输出，该一个或多个显示器包括手术室内的显示器以及经由互联网或其他网络访问的远程显示器。还可加密视频输出或馈送以确保隐私，并且视频输出的全部或部分可保存到服务器或电子保健记录***。

应当理解，图1的手术室场景是示例性的，未必能准确地代表某些医疗实践。

参见图2，示出了根据实施方案的具有机器人臂的外科机器人***的示意图。外科机器人***100可维持远程运动中心固定，如下所述。外科机器人***100可包括安装在外科机器人平台111上的外科机器人臂112。外科机器人平台111可包括若干部件，诸如患者102在外科手术期间躺在其上的手术台202，以及保持手术台202在地面上方的支撑柱或支腿。类似地，外科机器人臂112可包括若干部件，诸如具有若干接合部或连接件的机器人臂204，以及可相对于彼此驱动接合部或连接件的若干致动器，例如马达。在图2中，旋转接合部已被表示为圆柱体，并且连接件被示出为具有连接圆柱体的线。在一个实施方案中，机器人臂204安装在手术台202下方，并且可以收起构型(未示出)收起在手术台202下方。机器人臂204可由致动器从收起构型移动到活动构型，其中外科工具104定位在手术台202上方，如图所示。

外科机器人臂112可以是能够在外科手术期间定位和控制外科工具104的多轴机器人操纵器。外科机器人臂112的轴线表示控制机器人臂204的整体几何形状的自由度。例如，具有若干连接接合部的设置臂250可附接到手术台202，例如，附接到手术台202的下侧。设置臂250可由具有一个或多个自由度的台适配器接合部208联接到手术台202。台适配器接合部208可以是子接合部的任何组合，例如，一对旋转接合部，其允许设置臂250围绕若干轴线相对于手术台202移动。类似地，设置臂250可包括适配器接合部209，该适配器接合部在与台适配器接合部208组合时提供设置臂250相对于手术台202的一个或多个自由度。设置臂250可包括一个或多个附加接合部，例如，诸如接合部206和/或接合部210的滚动接合部或诸如接合部207和/或接合部211的俯仰接合部，其向互连臂赋予一个或多个自由度。每个接合部可允许围绕相应轴线旋转，因此对应的术语“俯仰”和“滚动”。设置臂250的连接臂和机器人臂204在手术台202与远程运动中心机构之间的任何其他连接件可将远程运动中心机构以预定自由度定位在空间中。例如，手术台202与机器人臂204的滚动接合部212之间的连接件可组合以形成五自由度臂，例如设置臂250，其将滚动接合部212的近侧端部定位在空间中。

远程运动中心机构可包括若干接合部或连接件。在一个实施方案中，滚动接合部212是远程运动中心机构中的第一接合部。远程运动中心机构也可以称为球形臂252，并且球形臂252的近侧端部可连接到设置臂250的远侧端部。类似地，球形臂252的远侧端部可连接到工具驱动器214。远程运动中心机构被构造成在外科手术期间将外科工具104(或保持外科工具104的工具驱动器214)保持和定向在远程运动中心216处。因此，球形臂252基本上是机器人臂204的一部分，其限定外科工具104围绕其枢转的远程运动中心216。

除了滚动接合部212和工具驱动器214之外，远程运动中心机构包括将滚动接合部212连接到工具驱动器214的棱柱形连接件218。更具体地，滚动接合部212的远侧端部可连接到棱柱形连接件218的近侧端部。第一俯仰接合部220还可以联接到滚动接合部212和棱柱形连接件218。例如，第一俯仰接合部220可在滚动接合部212与棱柱形连接件218之间居中。在一个实施方案中，第一马达连接到滚动接合部212和棱柱形连接件218，以在第一俯仰接合部220处提供一个或多个自由度。例如，棱柱形连接件218可围绕第一俯仰接合部220相对于滚动接合部212枢转。类似地，棱柱形连接件218的远侧端部可在第二俯仰接合部224处连接到工具驱动器214。第二马达可连接到棱柱形连接件218和工具驱动器214，以在第二俯仰接合部224处提供一个或多个自由度。例如，工具驱动器214可围绕第二俯仰接合部224相对于棱柱形连接件218枢转。

形成远程运动中心机构的一个或多个连接件具有可变长度。例如，远程运动中心机构的连接件可包括由棱柱形接合部230彼此连接的子连接件。棱柱形接合部230允许子连接件之间的滑动移动，并且因此，可增加或减小由子连接件构成的连接件的总长度。在一个实施方案中，机器人臂204的棱柱形连接件218包括滚动接合部212与工具驱动器214之间的棱柱形接合部230。例如，如下所述，棱柱形连接件218可具有由棱柱形接合部230联接的若干棱柱形子连接件，并且连接到棱柱形子连接件的马达可相对于彼此滑动子连接件，以增加或减小棱柱形连接件218的长度，并且因此增加工具驱动器214与滚动接合部212之间的距离。

棱柱形接合部230可结合到外科机器人臂112的其他部件中。例如，工具驱动器214可包括棱柱形接合部230，以允许外科工具104相对于工具驱动器214与第二俯仰接合部224之间的附接点线性地移动。工具驱动器214的棱柱形接合部230可以是可相对于患者102推进或回缩的伸缩主体。滑动移动可允许外科工具104***患者102内并从患者体回缩。此外，可协调控制外科机器人臂112的所有致动器，以将外科工具104维持在远程运动中心216处。

参见图3，示出了根据实施方案的机器人臂的透视图。机器人臂204可包括球形臂252。机器人臂204可包括沿滚动轴线302延伸的滚动接合部212。滚动轴线302是几何参考特征部，滚动接合部212可围绕该几何参考特征部旋转。例如，滚动接合部212的近侧端部可在旋转接合部(例如，接合部211)处附接到设置臂250。马达可在旋转接合部处驱动滚动接合部212的旋转，以使滚动接合部212的远侧端部围绕滚动轴线302旋转。因此，滚动接合部212可向机器人臂204提供至少一个自由度，例如围绕滚动轴线302的旋转。

滚动轴线302可延伸通过滚动接合部212的远侧端部，其中滚动接合部212在第一俯仰接合部220处连接到棱柱形连接件218。第一俯仰接合部220可围绕第一俯仰轴线304旋转。更具体地，滚动接合部212的远侧端部可由第一俯仰接合部220连接到棱柱形连接件218的近侧端部，并且对应的致动器可在第一俯仰接合部220处驱动棱柱形连接件218相对于滚动接合部212的旋转。例如，马达可在第一俯仰接合部220处连接到滚动接合部212和棱柱形连接件218，并且马达的致动可使棱柱形连接件218围绕第一俯仰轴线304相对于滚动接合部212旋转。因此，第一俯仰接合部220可向机器人臂204提供至少一个自由度，例如围绕第一俯仰轴线304的旋转。

棱柱形连接件218可沿线性轴线306从第一俯仰接合部220处的近侧端部延伸到第二俯仰接合部224处的远侧端部。第二俯仰接合部224可将棱柱形连接件218连接到工具驱动器214。第二俯仰接合部224可围绕第二俯仰轴线308旋转。更具体地，对应的致动器可在第二俯仰接合部224处驱动棱柱形连接件218相对于工具驱动器214的旋转。例如，马达可在第二俯仰接合部224处连接到工具驱动器214和棱柱形连接件218，并且马达的致动可使棱柱形连接件218围绕第二俯仰轴线308相对于工具驱动器214旋转。因此，第二俯仰接合部224可向机器人臂204提供至少一个自由度，例如围绕第二俯仰轴线308的旋转。

除了第一俯仰接合部220和第二俯仰接合部224之外，棱柱形连接件218可与棱柱形接合部230相关联，该棱柱形接合部向机器人臂204赋予附加的自由度。棱柱形接合部230可允许棱柱形连接件218沿线性轴线306延伸和回缩。在一个实施方案中，棱柱形连接件218包括具有棱柱形连接件218的近侧端部的第一棱柱形子连接件310。第一棱柱形子连接件310的近侧端部可由第一俯仰接合部220连接到滚动接合部212。类似地，棱柱形连接件218可包括具有棱柱形连接件218的远侧端部的第二棱柱形子连接件312。第二棱柱形子连接件312的远侧端部可由第二俯仰接合部224连接到工具驱动器214。第一棱柱形子连接件310可由棱柱形接合部230直接或间接连接到第二棱柱形子连接件312。

棱柱形连接件218的棱柱形接合部230可包括一个或多个级。例如，第一棱柱形子连接件310可具有细长的管状构造，并且第一棱柱形子连接件310的管状壁的内表面可抵靠第二棱柱形子连接件312的外表面滑动。当棱柱形连接件218的输入子连接件和输出子连接件直接连接时，例如，当棱柱形连接件218仅具有两个区段时，棱柱形接合部230可以是单级棱柱形接合部230。

在一个实施方案中，棱柱形连接件218是具有多于两个区段的伸缩结构。更具体地，棱柱形连接件218可包括第一棱柱形子连接件310、第二棱柱形子连接件312和至少一个附加的棱柱形子连接件。附加的棱柱形子连接件可以是由棱柱形接合部230连接到第一棱柱形子连接件310和第二棱柱形子连接件312的中间棱柱形子连接件314。更具体地，棱柱形接合部230可包括第一棱柱形子连接件310与中间棱柱形子连接件314之间的滑动接触，以及中间棱柱形子连接件314与第二棱柱形子连接件312之间的滑动接触。当棱柱形连接件218的输入子连接件和输出子连接件未直接连接时，例如，当棱柱形连接件218在第一棱柱形子连接件310与第二棱柱形子连接件312之间具有至少一个中间棱柱形子连接件时，棱柱形接合部230可以是多级棱柱形接合部230。

无论棱柱形接合部230是单级棱柱形接合部还是多级棱柱形接合部，都可以通过将第二棱柱形子连接件312驱动远离第一棱柱形子连接件310来增加第一俯仰接合部220与第二俯仰接合部224之间的距离，并且可以通过将第二棱柱形子连接件312朝向第一棱柱形子连接件310驱动来减小该距离。对应的致动器可沿线性轴线306相对于彼此驱动棱柱形子连接件的平移，例如，第一棱柱形子连接件310和第二棱柱形子连接件312。例如，马达可直接或通过中间棱柱形子连接件314连接到第一棱柱形子连接件310和第二棱柱形子连接件312，以使第一棱柱形子连接件310沿线性轴线306相对于第二棱柱形子连接件312滑动。

棱柱形连接件218沿线性轴线306的延伸和回缩可改变机器人臂204的总体尺寸。例如，可将第二棱柱形子连接件312沿线性轴线306朝向第一棱柱形子连接件310驱动，以减小棱柱形连接件218的长度，直到第二俯仰接合部224与第一棱柱形子连接件310的远侧端部相邻。在这种状态下，棱柱形连接件218将处于最小长度或接近最小长度。因此，机器人臂204在第二棱柱形子连接件312回缩时的状态下可比在第二棱柱形子连接件312延伸时的状态下更紧凑。在一个实施方案中，当棱柱形连接件218处于最小长度或接近最小长度状态时，机器人臂204收起在手术台202下方。因此，能够延伸的棱柱形连接件218的可变长度为机器人臂204赋予紧凑性，并且在不使用时允许机器人臂204被收起而不占用手术台202上方或侧面的空间。

应当理解，可通过使用更多连接件区段来增加棱柱形连接件218的最大长度。例如，增加棱柱形接合部230中的级的数量可在棱柱形连接件218沿线性轴线306的运动范围内具有相对增长。然而，增加级的数量可增加***的大小、重量和复杂性。已经示出，一种设计可平衡用以执行外科操作所需的臂达到的距离与将压紧的连杆收起在手术台下方的能力。在一个实施方案中，此平衡由具有两个级的棱柱形接合部230(其中棱柱形连接件218包括在两个滑动接触点处连接的三个子连接件)来实现，如图3所示。

棱柱形连接件218可支撑工具驱动器214，其可保持和移动外科工具104。工具驱动器214还可引导外科工具104在外科手术期间的移动。在一个实施方案中，工具驱动器214被构造成支撑外科工具104(图3中未示出)和/或工具引导件350。外科工具104和/或工具引导件350可沿***轴线352延伸。外科工具104和/或工具引导件350可被构造成用于通过远程运动中心216沿***轴线352***患者102内。工具引导件350的部件，例如引导管354，可接纳并引导外科工具104的特征部，例如外科工具104的远侧轴。例如，引导管354可包括具有与***轴线352同轴的内腔的套管针，并且因此，当轴***内腔中时，可接纳外科工具104的轴。引导管354可将工具特征部引导到患者102内的触及点中或穿过该触及点。因此，***轴线352、外科工具104的轴和引导管354的内腔可延伸通过远程运动中心216。

在一个实施方案中，***轴线352在远程运动中心216处与滚动轴线302相交。由远程运动中心机构的其他参考几何形状的相对取向来促进***轴线352与滚动轴线302之间的相交。例如，第一俯仰轴线304可平行于第二俯仰轴线308。因此，第一俯仰接合部220和/或第二俯仰接合部224的旋转可改变沿滚动轴线302在第一俯仰轴线304与***轴线352之间的距离，而不使轴线移出平面。也就是说，平行的俯仰轴线304、308与轴线302、352在其内共面的同一平面正交，并且因此，连接件围绕轴线304、308的旋转引起轴线302、352在同一平面内的相对移动。因此，滚动轴线302和***轴线352在远程运动中心机构的移动期间保持共面。类似地，棱柱形接合部230可沿线性轴线306滑动，该线性轴线可与第一俯仰轴线304和第二俯仰轴线308正交。线性轴线306与俯仰轴线之间的正交性允许***轴线352与滚动轴线302保持在同一平面内，即使棱柱形连接件218的长度从收起构型改变为活动构型时也是如此。

机器人臂部件与参考几何形状之间的相对位置可形成一种结构，其中参考三角形由滚动轴线302、线性轴线306和***轴线352形成。滚动轴线302和***轴线352形成三角形的侧边，并且线性轴线306在第一俯仰轴线304与第二俯仰轴线308之间延伸到***轴线352以形成三角形的斜边。可通过在棱柱形接合部230处移动棱柱形连接件218的子连接件，例如通过使棱柱形接合部230沿延伸通过第一俯仰接合部220和第二俯仰接合部224的线性轴线306滑动来改变斜边的长度。类似地，当通过在第一俯仰接合部220处和第二俯仰接合部224处移动连接件来改变***轴线352与滚动轴线302之间的角度时，侧边的长度改变。三角形的侧边和斜边存在于可围绕滚动轴线302旋转的平面内。三角形具有顶点，在该顶点处***轴线352与滚动轴线302相交。在一个实施方案中，机器人臂204的连接件由相应马达在第一俯仰接合部220、棱柱形接合部230和第二俯仰接合部224处的移动来控制，以将顶点定位在远程运动中心216处。

工具驱动器214可包括托架356以保持外科工具104(图7A至图8B)。如下所述，托架356在***轴线352的方向上相对于工具引导件350可移动。更具体地，工具驱动器214可具有将托架356连接到工具引导件350的相应棱柱形接合部，并且棱柱形接合部可允许托架356沿***轴线352朝向或远离引导管354移动。因此，安装在托架356上的外科工具104的远侧端部或轴可与托架356的移动平行地移动。虽然引导管354上的位置(例如，引导管354的内腔中的位置)基于连杆接合部围绕/沿其相应运动轴线的软件控制的移动而维持在远程运动中心216处，但是外科工具104的远侧端部和/或轴可通过引导管354的内腔***或回缩。外科工具104的远侧端部和/或轴可移动穿过患者102内的触及点，该触及点在远程运动中心216处并置。因此，工具特征部可围绕远程运动中心216枢转。

参见图4，示出了根据实施方案的处于原始构型的机器人臂的侧视图。机器人臂204可通过控制在连杆接合部处的移动而连续地在许多构型或状态之间移动。在一个实施方案中，可控制连杆的移动，使得远程运动中心216维持在空间中的固定点处，并且引导管354围绕远程运动中心枢转。然后，应当理解，当引导管354围绕远程运动中心216枢转时，引导管354的远侧端部(例如，在滚动轴线302下方)和/或外科工具104的远侧端部可扫过锥形工作空间402。锥形工作空间402的扫过工作角404可取决于可变长度连接件的长度，如下所述。例如，可以存在工作角404最大化的最佳连接件长度。类似地，锥形工作空间402的半径可取决于托架356沿***轴线352的位置。例如，在远侧方向上沿***轴线352驱动外科工具104的远侧端部可增加远程运动中心216下方的锥形工作空间402的半径。

机器人臂204可具有若干原始构型406。原始构型可被定义为连杆构型，其中滚动轴线302与***轴线352正交。在原始构型406中，滚动轴线302可在远程运动中心216处与***轴线352相交。限定远程运动中心机构的参考三角形可以是原始构型中的直角三角形。对应于每个原始构型的参考三角形可具有不同长度的斜边，具体取决于棱柱形连接件218的长度，并且类似地，每个原始构型406的参考三角形可以在第一俯仰接合部220与远程运动中心216之间具有相应的原始距离408(原始距离408是参考三角形的底边的长度)。对于机器人臂204的每个原始构型406，机器人臂204的第一俯仰接合部220、棱柱形接合部230和第二俯仰接合部224可移动以使***轴线352扫过工作角404，同时将外科工具104和/或工具引导件350维持在远程运动中心216处。

工作角404表示机器人臂112可将工具引导件350维持在远程运动中心216处的角区域。在此范围之外，远程运动中心机构的一个或多个接合部可能无法继续运动，并且因此可能无法进一步调整工具引导件350以与远程运动中心216重合。例如，棱柱形接合部230和/或第二俯仰接合部224可处于第一方向上的运动范围的末端(图5)或处于相反方向上的运动范围的末端(图6)。因此，如果在任何情况下在第一俯仰接合部220处继续运动，则工具引导件350上的位置将围绕第一俯仰接合部220枢转并且远离远程运动中心216移动。

参见图5，示出了根据实施方案的处于向前俯仰构型的机器人臂的侧视图。***轴线352可向前俯仰以使引导管354围绕远程运动中心216枢转。工具引导件350的俯仰运动可通过在第一俯仰接合部220、第二俯仰接合部224或棱柱形接合部230中的一者或多者处致动同时运动而发生。更具体地，棱柱形连接件218可被加长，而同时增加***轴线352与滚动轴线302之间的角度502(沿顺时针方向)，以在远程运动中心机构216处维持引导管354上的相同位置。当工具引导件350向前俯仰时，运动范围是对向的。运动范围可处于滚动轴线302与延伸通过远程运动中心216的***轴线352之间的角度502内。正交于滚动轴线302延伸的垂直轴线(未示出)可用作参考几何形状。在原始构型406中，垂直轴线可与***轴线352共线。在向前俯仰构型中，可在垂直轴线与***轴线352之间形成向前工作子角。向前工作子角可限定锥形工作空间402的一部分。更具体地，向前工作子角可在包含垂直轴线参考几何形状并且与页面正交的平面的第一侧上限定锥形工作空间402的一部分。

参见图6，示出了根据实施方案的处于向后俯仰构型的机器人臂的侧视图。***轴线352可向后俯仰以使引导管354围绕远程运动中心216枢转。更具体地，棱柱形连接件218可缩短，同时从角度502同时减小***轴线352与滚动轴线302之间的角度602，以在远程运动中心216处维持引导管354上的相同位置。当外科工具104和/或工具引导件350向后俯仰时，图5中的角度502与图6中的角度602之间的差可限定锥形工作空间402的工作角404。在向后俯仰构型中，可在垂直轴线与***轴线352之间形成向后工作子角。向后工作子角可在由向前工作子角限定的工作空间部分的相对侧上限定锥形工作空间402的一部分。

对于机器人臂204的每个原始构型406，由***轴线352扫过的工作角404可基于原始构型406的相应原始距离408。对于给定原始距离408，***轴线352将具有相对于滚动轴线302的特定运动范围。运动范围可包括通过图5的向前工作子角和图6的向后工作子角的俯仰运动。对于一种原始构型406，向前工作子角和向后工作子角相等。对于该原始构型，锥形工作空间402的对称轴与垂直轴线参考几何形状同轴。工作角404可在对称原始构型中处于最大值。对于其他原始构型，向前工作子角和向后工作子角不相等。对于那些原始构型406，锥形工作空间402的对称轴相对于垂直轴线倾斜。举例来说，并且如下所述，当原始构型406的原始距离408增加时，向前工作子角减小并且向后工作子角增加。相比之下，当原始构型406的原始距离408减小时，向前工作子角增加并且向后工作子角减小。换句话讲，向前工作子角可与原始距离408成反比，并且向后工作子角可与给定原始构型406的原始距离408成正比。

本文以举例而非限制的方式来描述已经设计的基于原始距离的工作角404的若干示例。具有对称向前和向后工作子角的原始构型可具有425mm的原始距离408。也就是说，对于原始构型，当***轴线352与滚动轴线302正交时，远程运动中心216可与第一俯仰接合部220间隔开425mm。在原始构型406中，滚动轴线302与***轴线352和垂直轴线参考几何形状两者正交，并且在远程运动中心216处与这两条轴线相交。当工具驱动器214向前俯仰到工具引导件350上的相同位置可定位在远程运动中心216处的最大角度时，即对称原始构型406的工作角502，***轴线352可与垂直轴线参考几何形状分离70度。类似地，当工具驱动器214向后俯仰到工具引导件350上的相同位置可定位在远程运动中心216处的最大角度时，即原始构型406的图6的向后工作子角，***轴线352可与垂直轴线参考几何形状分离-70度。

具有非对称向前和向后工作子角的另选原始构型406可具有525mm的原始距离408。也就是说，对于非对称原始构型406，当***轴线352与滚动轴线302正交时，远程运动中心216可与第一俯仰接合部220间隔开525mm。在非对称原始构型406中，滚动轴线302与***轴线352和垂直轴线参考几何形状两者正交，并且在远程运动中心216处与这两条轴线相交。当工具驱动器214向前俯仰到非对称原始构型406的角度502时，***轴线352可与垂直轴线参考几何形状分离30度(小于向前方向上的整个运动范围)。相比之下，当工具驱动器214向后俯仰到另选原始构型406的角度602时，***轴线352可与垂直轴线参考几何形状分离-70度(向后方向上的整个运动范围)。

另一个非对称原始构型具有325mm的另选原始距离408。也就是说，对于非对称原始构型406，当***轴线352与滚动轴线302正交时，远程运动中心216可与第一俯仰接合部220间隔开325mm。当外科工具104和/或工具驱动器214向前俯仰到非对称原始构型406的向前工作角502时，***轴线352可与垂直轴线参考几何形状分离70度(向前方向上的整个运动范围)。相比之下，当外科工具104和/或工具驱动器214向后俯仰到非对称原始构型406的向后工作角602时，***轴线352可与垂直轴线参考几何形状分离-5度(小于向后方向上的整个运动范围)。

以上示例显示，与具有从输入接合部到远程运动中心216的固定距离的硬件约束的机器人臂相比，软件控制的机器人臂提供了改变原始距离408的能力。此外，通过改变原始距离408，可控制外科工具104和/或工具引导件350的运动范围。这允许针对某些操作条件优化运动范围。例如，通过增加原始距离408并且因此减小向前工作角502，可在外科工具104和/或工具驱动器214与患者102或床边操作者106之间提供附加的间隙。附加的患者间隙可允许床边操作者106在患者102的触及点周围的空间内工作，而被机器人臂撞击的风险较小。类似地，通过减小原始距离408，可将外科机器人臂112整体制作得更小，以避免与相邻机器人臂碰撞。当需要最大化锥形工作空间402时，例如，当外科操作需要在患者102内的最大运动范围时，可改变原始距离408以实现对称原始构型和对应的最大工作子角。因此，与硬件约束的机器人臂相比，本文描述的外科机器人臂112可适于特定手术场景的需要。

参见图7A至图7B，示出了根据实施方案的安装在工具驱动器上的外科工具的侧视图。工具驱动器214可沿***轴线352在远侧方向(朝向引导管354)和近侧方向(远离引导管354)上移动托架356。线性运动可使外科工具104从完全回缩状态移动到沿***轴线352的不同位置处的完全***状态。

图7A示出了托架356和处于完全回缩状态的外科工具104。在一个实施方案中，工具驱动器214包括固定到工具引导件350的引导基座702。例如，工具引导件350可安装在引导基座702上。通过延伸，引导管354可在空间中相对于引导基座702具有一致的位置。另一方面，托架356可以可移动地联接到引导基座702。例如，引导基座702可包括线性运动轴承，诸如级，其由线性致动器(诸如马达驱动的螺杆)平行于***轴线352驱动。托架356可直接安装在线性运动轴承上，以在远侧和近侧方向上相对于引导基座702移动。外科工具104可安装在托架356上，使得外科工具104的轴704沿***轴线352在远侧方向上延伸。在完全回缩状态下，轴704可保持在托架356与工具引导件350之间的垂直空间中。

图7B示出了托架356和处于完全延伸状态的外科工具104。托架356和外科工具104可沿***轴线352相对于引导基座702向远侧驱动。当托架356向前驱动时，外科工具104的轴704可进入引导管354的内腔。托架356的持续线性运动可使轴704穿过引导管354***，直到轴704的远侧端部出现。在外科手术期间，轴704的远侧端部可包括当引导管354***外科触及点内时，可用于在患者102内执行外科操作的相机、抓紧器或另一个端部执行器。

参见图8A至图8B，示出了根据实施方案的安装在伸缩工具驱动器上的外科工具的侧视图。在一个实施方案中，工具驱动器214可包括具有多个级的棱柱形接合部。更具体地，如棱柱形连接件218，工具驱动器214可结合使托架356的移动以伸缩方式发生的部件。

图8A示出了托架356和处于完全回缩状态的外科工具104。在一个实施方案中，引导基座702固定到工具引导件350。另一方面，托架356可以可移动地联接到引导基座702。一个或多个惰轮连接件802可连接到引导基座702和托架356两者，并且惰轮连接件802可同时相对于引导基座702和托架356中的一者或两者移动。工具驱动器214的棱柱形接合部可包括用于相对于惰轮连接件802在远侧方向和近侧方向上移动托架356和工具基座702中的一者或两者的机构。例如，第一线性轴承可将工具基座702连接到惰轮连接件802，并且第一线性致动器可在由轴承限定的运动方向上驱动惰轮连接件802。类似地，第二线性轴承可将惰轮连接件802连接到托架356，并且第二线性致动器(或诸如皮带的传输元件)可在由轴承限定的运动方向上驱动托架356。因此，托架356可以伸缩方式相对于工具基座702移动。在一个实施方案中，第二俯仰接合部224可连接到惰轮连接件802，使得引导基座702可沿惰轮连接件802相对于在第二俯仰接合部224处的连接向前和向后驱动。

图8B示出了托架356和处于完全延伸状态的外科工具104。托架356和外科工具104可沿***轴线352相对于引导基座702向远侧驱动。例如，惰轮连接件802可相对于引导基座702向远侧驱动，并且/或者托架356可相对于惰轮连接件802向远侧驱动。当托架356向前驱动时，外科工具104的轴704可进入引导管354的内腔。托架356的持续线性运动可使轴704穿过引导管354***，直到轴704的远侧端部出现在患者102内以执行外科操作。在一个实施方案中，图8A至图8B中所示的工具驱动器214的伸缩动作允许最小化工具驱动器214的整体包络。更具体地，使用附加的棱柱形接合部级可允许工具驱动器214以压紧状态装配在较小的空间内。因此，具有伸缩棱柱形接合部230的工具驱动器214可收起在手术台202下方。

在一个实施方案中，可通过调整工具驱动器214与患者102之间的间隙来增加工具驱动器214的运动范围。更具体地，运动范围可通过以下操作中的一者或多者来增加：移动工具驱动器214沿***轴线352联接到第二俯仰接合部224的位置；或者在工具引导件350中结合伸缩主体以沿***轴线352操作性地伸缩。应当理解，虽然仅在图8A至图8B中示出了特征部，但这些特征部可结合到上述实施方案中的任何实施方案中。

再次参见图8A，工具驱动器214由其联接到第二俯仰接合部224(未示出)的联接位置沿***轴线352操作性地可移动。在一个实施方案中，联接位置810处的安装点沿工具驱动器级可移动，例如，在工具引导基座702上。例如，工具引导基座702可在近侧联接位置810，以及中间联接位置812、远侧联接位置814等中的一者或多者处连接到工具引导件350。连接可以处于各种离散位置，例如，通过位于联接位置810、812和814处的各个联接件，这些联接件单独地连接到工具引导件350。另选地，工具引导基座702和工具引导件350可安装在线性滑动件的可移动部分上，并且因此可通过致动滑动件相对于彼此移动。当滑动件致动时，工具引导件350可移动到点810、812、814等，并且因此可改变相对于工具引导基座702的位置。因此，工具引导件350可相对于工具引导基座702解锁和闩锁到离散位置，或者相对于工具引导基座702连续移动，以改变工具驱动器214与患者102之间的距离。例如，当工具引导件350在位置814处附接到工具引导基座702时，工具驱动器更远离患者102。通过使工具引导件350的安装点沿工具驱动器级可移动，可增加运动范围502。

再次参见图8B，工具引导件350包括沿***轴线352操作性地伸缩的伸缩主体820。举例来说，伸缩主体820可包括近侧引导管822和远侧引导管824，其沿***轴线352共线嵌套。在一个实施方案中，远侧引导管824可在近侧引导管822内向前或向后滑动以使工具引导件350伸缩。当伸缩主体820被手动或自动致动时，远侧引导管824的远侧端部的位置可改变，并且因此可改变远程运动中心216相对于患者102的位置。由于这些点变化，因此可改变运动范围502。例如，引导管可延伸以增加工具引导基座702与患者102之间的间隙。因此，可增加运动范围502。

参见图9，示出了根据实施方案的控制机器人臂以维持远程运动中心固定的方法的流程图。机器人臂204可定位或移动到第一构型。在第一构型中，滚动接合部212的滚动轴线302在远程运动中心216处与工具驱动器214的***轴线352相交。滚动轴线302在第一构型中与***轴线352分离第一角度。例如，第一构型可以是原始构型406，并且第一角度可以是90度。另选地，第一构型可以是其中工具引导件350相对于垂直轴线参考几何形状倾斜的状态，并且因此，第一角度可以不同于90度。

为了将机器人臂204移动到第一构型中，可以移动连杆的每个接合部处的马达。例如，定位在第一俯仰接合部220处的步进马达可改变线性轴线306与滚动轴线302之间的角度。类似地，定位在第二俯仰接合部224处的步进马达可改变线性轴线306与***轴线352之间的角度。由步进马达设定的角度可对应于由连接到棱柱形连接件218的连接件的线性致动器驱动的棱柱形连接件218的长度。驱动棱柱形连接件218的棱柱形接合部230的线性致动器可包括导螺杆。例如，在伸缩棱柱形连接件218的情况下，中间子连接件314可包括通过导螺杆的旋转移动的线性驱动轴承。其他子连接件，例如第一子连接件和第二子连接件，可通过诸如皮带和滑轮机构的传输机构连接到中间子连接件。当中间子连接件通过导螺杆的旋转移动时，将子连接件互连的皮带也可移动以推动和/或拉动连接件。因此，子连接件可一致地移动以改变棱柱形连接件218的总长度。

远程运动中心机构的部件的位置可由一个或多个位置传感器感测。例如，绝对位置传感器的网络可分布在整个机器人臂204中以检测滚动接合部212、棱柱形连接件218和工具驱动器214的移动和/或位置。在一个实施方案中，绝对传感器定位在机器人臂204的每个接合部中，或者机器人臂204的一部分(诸如球形臂)的每个接合部中，以检测接合部的位置。来自传感器网络的反馈可由外科机器人***100的处理器接收(图10)并进行处理以确定机器人臂204的整体几何形状。处理器可使用反馈来确定将保持远程运动中心216固定的接合部构型。例如，可将远程运动中心216维持固定在工具引导件350上的位置处。处理器可生成驱动信号，该驱动信号使致动器移动以实现期望的几何形状。例如，处理器生成驱动信号以控制机器人臂204移动进入第一构型，或进入后续构型，如下所述。可执行构型之间的移动，同时维持远程运动中心216固定。

在操作902处，处理器可驱动机器人臂204以通过远程运动中心216沿***轴线352移动***患者102内的外科工具104。例如，处理器可驱动机器人臂204以使***轴线352扫过工作角404。当外科工具104和/或工具引导件350***患者102内时，***轴线352可扫过工作角404。外科工具104和/或工具引导件350可通过远程运动中心216沿***轴线352***患者102内。

在操作904处，处理器可确定机器人臂204的移动，例如，设置臂250的若干接合部或连接件和机器人臂204的球形臂252的移动，以维持远程运动中心216固定。处理器可使用来自位置传感器网络的反馈作为用于控制机器人臂204的移动的控制算法的输入。例如，球形臂可被构造成在处理器的控制下被移动或被引导，以在使***轴线352扫过工作角404的同时将远程运动中心216维持固定。

在操作906处，处理器可驱动机器人臂204以实现例如在操作904处确定的球形臂252的若干接合部或连接件的移动。机器人臂204的部件可重新定位以将机器人臂204移动到第二构型中。机器人臂204的重新定位可包括相对于彼此可伸缩地移动棱柱形子连接件。更具体地，处理器可控制棱柱形连接件218的移动，使得棱柱形连接件218的若干棱柱形子连接件相对于彼此滑动。与棱柱形接合部230相关联的线性致动器可被激活以使第一棱柱形子连接件310相对于第二棱柱形子连接件312沿棱柱形接合部230的线性轴线306滑动。使棱柱形子连接件滑动可包括使第一棱柱形子连接件310沿线性轴线306在第一方向上相对于中间棱柱形子连接件314滑动，以及使第二棱柱形子连接件312在与第一方向相反的第二方向上相对于中间棱柱形子连接件314滑动。更具体地，子连接件可以滑开以增加棱柱形连接件218的总长度。在任何情况下，棱柱形子连接件可由棱柱形接合部230相对于彼此移动。

在第二构型中，滚动轴线302与***轴线352分离第二角度。第二角度可不同于第一角度。在第二构型中，远程运动中心216可处于与第一构型相同的位置。因此，从第一构型移动到第二构型由处理器控制以维持远程运动中心216固定，同时***轴线352扫过工作角404。

在一个实施方案中，工具驱动器214的托架356在***轴线352的方向上移动。更具体地，托架356可相对于工具引导件350移动。例如，托架356可沿***轴线352向远侧驱动，以使安装在托架356上的外科工具104的轴704穿过引导管354的内腔***患者102内。

参见图10，示出了根据实施方案的外科机器人***的示例性硬件部件的框图。示例性外科机器人***100可包括用户控制台120、外科机器人1002和控制塔130。外科机器人***100可包括其他附加的硬件部件；因此，以示例的方式提供该图，而并非是对***架构的限制。

如上所述，用户控制台120包括控制台计算机110和一个或多个UID 126。用户控制台120可包括控制台致动器1004、显示器128、UID***1006、脚踏板124和网络接口1108。坐在用户控制台120处的用户或外科医生可以手动调整用户控制台120的人体工程学设置，或者可以根据用户配置文件或用户偏好自动调整该设置。可通过基于用户输入或控制台计算机110存储的配置来驱动控制台致动器1004来实现手动调整和自动调整。用户可通过使用两个主UID 126和脚踏板124控制外科机器人1002来执行机器人辅助的外科手术。UID126的位置和取向由UID***1006连续跟踪，并且状态变化作为用户输入由控制台计算机110记录并经由网络接口1008调度到控制塔130。可在高分辨率3D显示器128(包括开放式显示器或沉浸式显示器)上向用户呈现患者解剖结构、器械和相关软件应用程序的实时外科手术视频。

与其他现有的外科机器人***不同，可通过单条光纤电缆将本文所公开的用户控制台120通信地联接到控制塔130。用户控制台还提供用于改善人体工程学的附加功能。例如，与仅提供沉浸式显示器相比，提供了开放式显示器和沉浸式显示器两者。此外，在用户控制台120处包括高度可调节的外科医生座椅以及通过电磁***或光学***跟踪的主UID，以用于改善人体工程学。为了改善安全性，可实施眼睛跟踪、头部跟踪和/或座椅旋转跟踪以防止工具意外运动，例如，当用户的视线在预定时间段内未专注于开放式显示器上的手术部位时，通过暂停或锁定远程操作。

控制塔130可以是容纳触摸屏显示器的移动现场护理推车、控制外科医生通过机器人辅助操纵器械的计算机、安全***、图形用户界面(GUI)、光源以及视频计算机和图形计算机。如图10所示，控制塔130可包括中央计算机1010(至少包括可视化计算机、控制计算机和辅助计算机)、各种显示器1012(包括团队显示器和护士显示器)和将控制塔130联接到用户控制台120和外科机器人1002两者的网络接口1014。控制塔130还可容纳第三方设备，诸如高级光引擎1016、电外科发生器装置(ESU)1018以及吹入器和CO₂罐1020。控制塔130可提供附加功能以实现用户便捷性，诸如护士显示触摸屏、软电源和E保持按钮、用于视频和静止图像的面向用户的USB以及电子脚轮控制接口。辅助计算机还可运行实时Linux，从而提供日志记录/监测以及与基于云的web服务的交互。

外科机器人1002包括具有多个集成臂112的铰接式手术台111，多个集成臂可定位在目标患者解剖结构上方。可将一组兼容工具104附接到/拆卸离开臂112的远侧端部，使得外科医生能够执行各种外科规程。外科机器人1002还可包括用于手动控制臂112、台111和工具104的控制接口1022。该控制接口可包括诸如但不限于遥控器、按钮、面板和触摸屏等物品。可能还需要其他附件诸如套管针(套管、密封药筒和填塞器)和盖布，以使用***执行手术。在一些变型中，多个臂112包括安装在手术台111的两侧上的前臂，其中每侧上具有两个臂。对于特定的外科规程，安装在台的一侧上的臂可以通过在台和安装在另一侧上的臂下方拉伸和交叉而定位在台的另一侧上，从而总共三个臂定位在台111的相同侧上。外科机器人1002还可包括台计算机1024和网络接口1026，该网络接口可将外科机器人1002放置在与控制塔130通信的位置。

机器人臂204可以其他术语描述。机器人臂204可以是多自由度臂，其具有内置到臂几何形状中的冗余，以实现能够使患者间隙最大化的若干控制模式，最小化由臂施加到患者组织的力，并且使外科机器人***100的臂与其他结构(例如，另一臂)之间的碰撞最小化。更具体地，当机器人臂204安装在外科机器人平台111上时，机器人臂204可最大限度地到达和触及患者102。冗余控制***可允许优化患者间隙、力和端部执行器控制。

多自由度臂204可包括至少四个机械独立的远侧自由度。例如，机器人臂204的球形臂252可包括远侧自由度，其可允许围绕远程运动中心216的两个相交的旋转自由度。另外，可提供第三远侧线性自由度，其与远程运动中心216相交。这些自由度提供球形臂252的远侧球形机构。远侧球形机构中的旋转自由度中的至少一个旋转自由度可包含与两个旋转接合部结合的线性伸缩机构。该组合可实现外科工具104围绕远程运动中心216的旋转中的一种旋转。围绕远程运动中心216的第二旋转自由度可由旋转接合部结合臂204的其余接合部的旋转来实现。

在一个实施方案中，多自由度臂可具有至少五个近侧自由度。例如，机器人臂204的设置臂250可包括近侧自由度，其可允许球形臂252被定位成具有两个附加的冗余度。冗余自由度可允许机器人臂204的近侧主体的远程或***驱动的重新定位，以扩展球形臂252的运动范围。此类重新定位可提供对患者102的触及，同时保持外科工具104处于相同的位姿。此类重新定位还可避免在外科手术期间臂204的任何部分与外科机器人***100的另一臂之间的碰撞。

多自由度臂可包括具有用于可更换外科工具104的托架的线性级。线性级可具有冗余线性自由度。更具体地，冗余线性自由度可将线性级附接到球形臂252，以允许接合部保持线性级，从而在机器人臂204与患者102的身体之间形成更多间隙。

如上所述，多自由度臂可具有允许沿级改变俯仰机构的附接位置的自由度。更具体地，如关于图8A所述，可调整附接位置810。类似地，在一个实施方案中，多自由度臂可具有伸缩套管针，该伸缩套管针允许将套管针主体从患者102内拉出。例如，如关于图8B显而易见的那样，伸缩套管针可被加长以在引导件702与患者102之间产生间隙。

除上述物理机构之外，机器人臂204可结合一个或多个传感器。在一个实施方案中，机器人臂204包括皮肤传感器以检测与外科机器人***100的其他部件或手术场所中的其他物体的接近度。例如，可由皮肤传感器检测与其他臂、附件、患者102的身体、用户106的身体等的接近度。

机器人臂204可在机器人臂204的一个或多个接合部或部件中结合一个或多个扭矩或力传感器。例如，可将可以感测力或扭矩的多自由度传感器结合到臂的接合部中以检测在外科手术期间施加到接合部的力和/或扭矩。类似地，力或扭矩传感器可被集成到工具引导件350中，例如引导管354的插管内，以感测在外科手术期间施加的力或扭矩。

机器人臂204的传感器可包括距离或位置感测传感器。例如，位置传感器可安装在工具引导件350上，例如，近侧或远侧引导管上，以检测或测量从机器人臂204到患者102的距离。类似地，光学传感器可安装在臂204上的一个或多个位置处，以允许跟踪机器人臂204相对于手术台111和手术场所内的其他物体的位置。

机器人臂204的上述力和/或距离感测传感器可由外科机器人***100使用，以根据若干操作模式控制机器人臂204。在操作模式中，可基于由机器人臂204的传感器获取的读数来控制外科工具104的端部执行器的位置和取向。在操作模式中，可基于由机器人臂204的传感器获取的读数来控制远程运动中心216的位置。类似地，在操作模式中，可基于由机器人臂204的传感器获取的读数来控制远程运动中心216上的力。

感测远程运动中心216、工具引导件350和机器人臂204的其他部件上的力的能力可允许例如臂的部件中的可能与用户106或患者102碰撞的一些部件的顺应性受控。例如，可以控制级的顺应性，同时维持远程运动中心216中的预定刚度水平。

在操作模式下，机器人臂204的传感器可提供距离或取向读数，以使机器人臂204与患者102之间的间隙最大化。最大化的间隙可避免臂与患者之间的碰撞。类似地，臂214的位置可被优化以最小化以下几者之间的碰撞：臂214和外科机器人***100的另一臂之间；臂214和外科机器人***100的附件之间；臂214和患者102之间或臂214和操作者106之间。

多自由度臂可使用从结合在臂250、252和/或工具驱动器214中的传感器收集的传感器数据以附加操作模式操作。例如，在操作模式下，臂204可允许套管针与臂252的远侧部分自动对接，例如工具引导件350对接到级。臂252的远侧部分可用于例如经由机械独立的远侧自由度的操作来实现精细对接运动。

多自由度臂的近侧自由度和远侧自由度可允许臂部件的移动。例如，球形臂252的两个旋转自由度允许级的俯仰/滚动移动，该俯仰/滚动移动可实现端部执行器例如外科工具104的旋转移动。可在操作期间无论球形臂252是移动的还是不移动的，都重新定位机器人臂的近侧接合部，例如设置臂250的接合部，，以重新定向球形臂252相对于患者102的工作空间。

在一个实施方案中，臂部件的移动可使远程运动中心216沿滚动轴线302移动。例如，可调整臂部件以改变远程运动中心216与第一俯仰接合部220之间沿滚动轴线302的距离。

在前述说明书中，已参考本发明的具体示例性实施方案描述了本发明。将显而易见的是，在不脱离如以下权利要求中阐述的本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可对本发明进行各种修改。因此，说明书和附图将被视为在示例性意义上而非限制性的。

Claims (20)

1.一种机器人臂，包括：

工具驱动器，所述工具驱动器用于支撑外科工具，所述外科工具被构造成用于通过远程运动中心沿***轴线***患者内；和

多个接合部或连接件，所述多个接合部或连接件联接到所述工具驱动器并且包括

滚动接合部，所述滚动接合部沿滚动轴线延伸，所述滚动轴线在所述远程运动中心处与所述***轴线相交；和

棱柱形连接件，所述棱柱形连接件包括由第一俯仰接合部联接到所述滚动接合部的第一棱柱形子连接件以及由第二俯仰接合部联接到所述工具驱动器的第二棱柱形子连接件，其中所述第一棱柱形子连接件由棱柱形接合部联接到所述第二棱柱形子连接件，并且其中所述工具驱动器由其联接到所述第二俯仰接合部的联接位置沿所述***轴线操作性地可移动；

其中所述多个接合部或连接件被构造成在处理器的控制下被移动或被引导，包括由所述棱柱形接合部使所述第二棱柱形子连接件相对于所述第一棱柱形子连接件可伸缩地移动以维持所述远程运动中心固定。

2.根据权利要求1所述的机器人臂，其中，所述第一俯仰接合部围绕第一俯仰轴线旋转，其中所述第二俯仰接合部围绕第二俯仰轴线旋转，并且其中所述第一俯仰轴线平行于所述第二俯仰轴线。

3.根据权利要求2所述的机器人臂，其中，所述棱柱形接合部沿线性轴线滑动，并且其中所述线性轴线与所述第一俯仰轴线和所述第二俯仰轴线正交。

4.根据权利要求3所述的机器人臂，其中，所述棱柱形连接件围绕所述第一俯仰轴线相对于所述滚动接合部旋转，其中所述棱柱形连接件围绕所述第二俯仰轴线相对于所述工具驱动器旋转，并且其中所述第一棱柱形子连接件沿所述线性轴线相对于所述第二棱柱形子连接件滑动。

5.根据权利要求1所述的机器人臂，其中，所述机器人臂具有多个原始构型，当所述滚动轴线与所述***轴线正交时，每个原始构型在所述第一俯仰接合部与所述远程运动中心之间具有相应的原始距离，其中所述第一俯仰接合部、所述棱柱形接合部和所述第二俯仰接合部可移动以在维持所述远程运动中心固定的同时使所述***轴线移动通过工作角，并且其中所述工作角基于所述原始距离。

6.根据权利要求1所述的机器人臂，其中，所述棱柱形连接件包括由所述棱柱形接合部联接到所述第一棱柱形子连接件和所述第二棱柱形子连接件的中间棱柱形子连接件。

7.根据权利要求1所述的机器人臂，还包括工具引导件，所述工具引导件包括引导管，所述引导管具有与所述***轴线同轴的内腔以接纳所述外科工具的轴。

8.根据权利要求7所述的机器人臂，其中，所述工具驱动器包括托架以保持所述外科工具，并且其中所述托架在所述***轴线的方向上相对于所述工具引导件可移动。

9.根据权利要求8所述的机器人臂，其中，所述工具驱动器包括可移动地联接到所述工具引导件和所述托架的惰轮连接件。

10.一种用于维持远程运动中心固定的外科机器人***，包括：

手术台；

外科工具，所述外科工具被构造成用于通过所述远程运动中心沿***轴线***患者内；和

机器人臂，所述机器人臂安装在所述手术台下方，其中所述机器人臂包括

工具驱动器，所述工具驱动器支撑所述外科工具；和

多个接合部或连接件，所述多个接合部或连接件包括

滚动接合部，所述滚动接合部沿滚动轴线延伸，所述滚动轴线在所述远程运动中心处与所述***轴线相交，和棱柱形连接件，所述棱柱形连接件将所述滚动接合部连接到所述工具驱动器，其中所述棱柱形连接件包括由棱柱形接合部联接的在所述滚动接合部与所述工具驱动器之间的多个棱柱形子连接件，

其中所述多个接合部或连接件被构造成在处理器的控制下被移动或被引导，包括由所述棱柱形接合部使所述棱柱形子连接件相对于彼此可伸缩地移动以维持所述远程运动中心固定。

11.根据权利要求10所述的外科机器人***，其中，第一俯仰接合部将所述棱柱形连接件联接到所述滚动接合部，其中第二俯仰接合部将所述棱柱形连接件联接到所述工具驱动器，并且其中所述棱柱形接合部沿延伸通过所述第一俯仰接合部和所述第二俯仰接合部的线性轴线滑动。

12.根据权利要求11所述的外科机器人***，其中，所述棱柱形连接件在所述第一俯仰接合部处相对于所述滚动接合部旋转，其中所述棱柱形连接件在所述第二俯仰接合部处相对于所述工具驱动器旋转，并且其中所述棱柱形连接件沿所述线性轴线相对于彼此滑动。

13.根据权利要求10所述的外科机器人***，其中，所述机器人臂具有多个原始构型，当所述滚动轴线与所述***轴线正交时，每个原始构型在第一俯仰接合部与所述远程运动中心之间具有相应的原始距离，其中所述第一俯仰接合部、所述棱柱形接合部和第二俯仰接合部可移动以在维持所述远程运动中心固定的同时使所述***轴线扫过工作角，并且其中所述工作角基于所述原始距离。

14.根据权利要求10所述的外科机器人***，其中，所述棱柱形子连接件包括由所述棱柱形接合部联接到第一棱柱形子连接件和第二棱柱形子连接件的中间棱柱形子连接件。

15.根据权利要求10所述的外科机器人***，其中，所述工具驱动器包括托架以保持外科工具，其中工具引导件包括引导管，所述引导管具有与所述***轴线同轴的内腔以接纳所述外科工具的轴，并且其中所述托架在所述***轴线的方向上相对于所述工具引导件可移动，以将所述轴通过所述内腔***。

16.根据权利要求15所述的外科机器人***，其中，所述工具引导件包括沿所述***轴线操作性地伸缩的伸缩主体。

17.一种控制机器人臂以维持远程运动中心固定的方法，包括：

由处理器驱动所述机器人臂以移动外科工具，所述外科工具通过所述远程运动中心沿***轴线***患者内；

由所述处理器确定所述机器人臂的多个接合部或连接件的移动以维持所述远程运动中心固定，其中所述远程运动中心位于所述***轴线与所述机器人臂的滚动接合部的滚动轴线的交点处，其中棱柱形连接件将所述滚动接合部连接到支撑所述外科工具的工具驱动器，并且其中所述棱柱形连接件包括由棱柱形接合部联接的多个棱柱形子连接件；以及

由所述处理器驱动所述机器人臂以实现所述多个接合部或连接件的移动，包括由所述棱柱形接合部使所述棱柱形子连接件相对于彼此可伸缩地移动，以在移动所述外科工具的同时维持所述远程运动中心固定。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，使所述棱柱形子连接件可伸缩地移动包括：使第一棱柱形子连接件沿所述棱柱形接合部的线性轴线相对于第二棱柱形子连接件滑动。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，使所述棱柱形子连接件滑动包括：使所述第一棱柱形子连接件沿所述线性轴线在第一方向上相对于中间棱柱形子连接件滑动，以及使所述第二棱柱形子连接件在与所述第一方向相反的第二方向上相对于所述中间棱柱形子连接件滑动。

20.根据权利要求17所述的方法，还包括使所述工具驱动器的托架在所述***轴线的方向上相对于工具引导件移动。

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